Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrkoordinaten-Tastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Aus diversen Druckschriften sind Mehrkoordinaten-Tastköpfe bekannt. Alle verfügen über Sensoren, die bei Antastung eines Objektes ein Antastsignal liefern. Die Art der Sensoren ist unterschiedlich: Es können beispielsweise elektrische Schalter sein, oder lichtelektrische Meßsysteme oder auch Abstandssensoren. Derartige Ausführungsformen finden sich in DE- 23 47 633-C3; DE- 35 08 396-C1; EP- 0 361 164-A1.

Bei Antastung von Objekten mittels eines derartigen Mehrkoordinaten-Tastkopfes wird ein das Objekt berührender Taststift ausgelenkt, der an seinem freien Ende eine Tastkugel trägt. Die Bauart der Sensoren bedingt es, daß die Generierung eines Antastsignales nach mehr oder weniger Auslenkung des Taststiftes ausgelöst wird.

In der DE-A-37 25 205 ist ein Mehrkoordinaten-Tastkopf mit einem, in mehreren Koordinatenrichtungen auslenkbaren Taststift beschrieben. Der Taststift ist in seinem Gehäuse durch Blattfedern elastisch aufgehängt. Die Blattfedern verlaufen ausschließlich parallel zur Achse des Taststiftes. Eine Auslenkung des Taststiftes in Richtung der Taststiftachse ist über diese Blattfedern nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrkoordinaten-Tastkopf zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, eine hohe Meßgenauigkeit und eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche wird ein erfindungsgemäßer Mehrkoordinaten-Tastkopf vorteilhaft ausgestaltet.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Mehrkoordinaten-Tastkopfes liegen darin, daß bereits geringste Antastkräfte eine Auslösung eines Meßsignales bewirken, welches ein Schaltsignal, aber auch ein Meßwert bildendes Signal sein kann. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß in axialer Richtung ein großer Hub möglich ist.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung durch mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1

einen Mehrkoordinaten-Tastkopf im Querschnitt;

Figur 1a

eine stark vereinfachte Draufsicht auf den inneren Aufbau und

Figur 2

eine Variante eines Mehrkoordinaten-Tastkopfes

Ein in Figur 1 dargestellter Mehrkoordinaten-Tastkopf 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches mit Hilfe eines Schaftes 3 in eine Maschine eingespannt werden kann. Aus dem Gehäuse 2 ragt auf der dem Schaft 3 gegenüberliegenden Seite ein Taststift 4 heraus, der an seinem freien Ende eine Tastkugel 5 trägt. Der Taststift 4 ist über ein mit ihm verbundenes Federelement 6 im Gehäuse 2 gelagert. Die Lagerung im Gehäuse 2 erfolgt mittels dieses elastischen Federelementes 6, welches in diesem Fall aus kreuzförmigen Blattfedern 7 besteht, die ihrerseits mit dem Gehäuse 2 verbunden sind. Ein Balg 12 schließt das zur Taststiftseite offene Gehäuse 2 dichtend ab.

Die vorbeschriebene Anordnung ist in der schematischen Draufsicht in Figur 1a erkennbar, aus der auch die vierfache Anordnung der Sensoren 13 ersichtlich ist. Das sich in axialer Richtung erstreckende Federteil 7a erlaubt eine Längenzunahme, die eine Membrane - wie sie etwa aus dem Stand der Technik bekannt ist - zerstören würde. Außerdem ergibt sich eine gewisse Nachgiebigkeit in den beiden anderen Koordinaten Richtungen.

Durch entsprechende Wahl der Gestaltparameter und des Abstandes der Blattfedern 7 kann der Mehrkoordinaten-Tastkopf 1 mit gleicher Kennlinie für die Antastkraft, auch Steifigkeit genannt, in den Koordinaten-Richtungen X, Y und Z ausgerüstet werden.

Zwischen den Armen der kreuzförmigen Blattfedern 7 werden Meßaufnehmer als Sensoren 13 angeordnet. Bei einer Antastkraft in x- oder y-Richtung an der Tastkugel 5 ergibt sich eine Kippbewegung des Taststiftes 4 mit dem Pol in P. Durch P und senkrecht zur Meßrichtung eines Maßstabes 13a ist die optische Achse eines Abtastkopfes 13b gelegt, so daß sich bei kleinen Auslenkungen der Tastkugel 5 in x- und y-Richtung der Abstand zwischen Maßstab 13a und Abtastkopf 13b nicht ändert.

Im Gehäuse 2 befinden sich Sensoren 13, die als lichtelektrische Längenmeßeinrichtungen ausgebildet und so ausgerichtet sind, daß sich ihre Meßachsen im Zentrum 15 der Tastkugel 5 schneiden, wobei dieses Zentrum 15 einen sogenannten Antast-Pol 15 bildet.

Die Sensoren 13 bestehen aus Maßstab 13a und Abtastkopf 13b und sind so angeordnet, daß ihre Mittellinien, die der Meßrichtung entsprechen, sich im Kugelmittelpunkt 15 treffen. Die optischen Achsen der Abtastköpfe 13b sind senkrecht zur Verbindungslinie Mitte Sensor 13 -> Kugelmitte 15 angeordnet oder bilden eine Sphäre mit dem Zentrum im Kugelmittelpunkt 15. Berührt die Tastkugel 5 ein Werkstück, so verformt sich zunächst das Federelement 7. Dadurch ändert sich die Relativlage der Elemente 13a und 13b im Sensor 13 und es entstehen durch die Sensoren 13 Signale, aus denen die Bewegung der Tastkugel 5 in x-, y- und z-Richtung berechnet werden kann.

Wenn in einer Betriebsart, die in der Fachsprache "scannen" oder "digitalisieren" heißt, gearbeitet wird, muß die Tastkugel 5 nur wenig ausgelenkt werden, so daß der Maßstab 13a seine Ruheposition kaum verläßt.

Vorteilhaft ist dabei, daß es sich um einen messenden Mehrkoordinaten-Tastkopf mit sehr einfachem Aufbau handelt. Es ist eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen, da außer der Verbiegung des Taststiftes 4, die sich leicht rechnerisch korrigieren läßt, keine mechanischen Deformationen vorkommen. Der Meßbereich ist zwar gering, für diese Betriebsart aber ausreichend.

Die Meßwerte sind aus den Sensorsignalen nach einem einfachen Algorithmus zu errechnen:

Sind S1, S2, S3, S4 die Signale der Sensoren 13, so ergibt sich bei vier Sensoren 13 in den Halbkoordinaten X bzw. -X und Y bzw. -Y in erster Näherung der mathematische Zusammenhang:$$\text{x = (S1-S2) ∗ (sin α) / 2 = C1 ∗ (S1-S2)}$$$$\text{y = (S3-S4) ∗ (sin α) / 2 = C1 ∗ (S3-S4)}$$$$\text{z = (S1+S2+S3+S4) ∗ (cos α) / 4 = C2 ∗ (S1+S2+S3+S4)}$$

Die Erzeugung eines einfachen Schaltsignales erfordert lediglich eine entsprechende Ausgestaltung der Sensoren. Diese Sensoren können Abstandssensoren sein, die als Näherungsschalter ausgebildet sind, oder ähnliche Funktionsweisen haben.

Selbstverständlich sind als Sensoren auch inkrementale oder codierte Meßsysteme vorsehbar, die auf einem anderen physikalischen Wirkprinzip beruhen. Derartige Anordnungen müssen nicht ausdrücklich beschrieben werden.

Um die Übersicht zu erleichtern, sind beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 wirkungsmäßig gleichartige Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, denen als Index die Figurenbezifferung nachgestellt ist.

Ein Mehrkoordinaten-Tastkopf 1₂ besteht aus den Grundelementen Gehäuse 2₂ mit Schaft 3₂ und Taststift 4₂, der mittels einer Lagerung im Gehäuse 2₂ beweglich gelagert ist. Die Lagerung besteht wieder aus einem Federelement 6₂ in Form von zwei kreuzförmigen Blattfedern 7₂, die so geformt sind, daß in axialer Richtung ein großer Hub möglich ist. Abweichend vom vorbeschriebenen Beispiel verläuft hier die Meßrichtung des Maßstabes 13₂a parallel zur Achse des Taststiftes 4₂. Eine senkrecht zu dieser Meßrichtung verlaufende optische Achse des Abtastkopfes 13₂b schneidet die Achse des Taststiftes 4₂ ebenfalls in einem Pol P₂, um den der Taststift kippt, wenn er in x- oder y-Richtung ausgelenkt wird.

Bei der in Figur 2 dargestellten Lösung können die Auslenkungen in den Richtungn X und Y nicht direkt gemessen werden. Sie können aber nach einer Kalibrierung aus der meßbaren Kippbewegung des Taststiftes 4₂ mit genügender Näherung ermittelt werden.

Wenn die sternförmigen Blattfedern dreiarmig ausgeführt werden, ist es sinnvoll auch drei Sensoren vorzusehen.